カールスルーエで開催されたDECHEMA/VDI食品プロセス工学専門部会2026年年次会議（ドイツ語名：Jahrestreffen der DECHEMA/VDI-Fachgruppe Lebensmittelverfahrenstechnik、2026年2月25日～27日、カールスルーエ）において、スプレー中の動的な二重エマルション液滴の光学的特性評価に関するポスターを発表しました。本研究は複雑液滴の測定に焦点を当て、TSTOFベースの光散乱信号が、構造を持つ液滴、エマルション、スプレーに関する情報をどのように提供できるかを示しています。

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複雑液滴は、食品技術、コーティングプロセス、医薬品、混相流研究において重要です。単純な液滴とは異なり、内部液滴、粒子、あるいは異なる液相を含むことがあります。そのため、その光学信号にはサイズや速度以上の情報が含まれています。

二重エマルション液滴の光学測定

ポスターでは、個々の動的な二重エマルション液滴を測定する手法について説明しています。このアプローチでは、TSTOF測定装置で記録した光散乱信号を用います。これらの信号には、複雑液滴の内部構造に関する物理的情報が含まれている可能性があります。

これらの信号を理解するため、3Dレイトレーシングに基づくシミュレーションを用いています。目的は、光散乱パターンと二重エマルション液滴の特徴的な特性との相関を明らかにすることです。内部に油滴を含む水滴と、内部に水滴を含む油滴の両方の構成を対象としています。

二重エマルションからミルクスプレーの特性評価へ

ミルクは複雑な多相液体であるため、同じコンセプトはミルクスプレーの特性評価にも関係します。ミルクには水、脂肪球、タンパク質、その他の成分が含まれています。ミルクをスプレーとして微粒化すると、各液滴が組成、構造、プロセス条件に関する情報を持つことになります。

光学測定手法は、こうした挙動の解析に役立ちます。個々の液滴からの光散乱信号を評価することで、液滴ファミリー、材料の違い、スプレー内の変化を調べることができます。これにより、食品関連スプレーやその他の複雑な液体のモニタリングに新たな可能性が生まれます。

TSTOFとAIを活用した信号解析

TSTOF技術は、個々の液滴からの時間分解光散乱信号を測定します。従来の用途では、この手法で液滴径と液滴速度を求めることができます。しかし、複雑液滴にはより踏み込んだ解析が必要です。

そこで、人工知能（AI）が複雑な光散乱信号の評価を支援します。今回の研究では、二重エマルションスプレーを生成し、その信号をAIでクラスタリングしています。これにより、液滴ファミリーの候補を特定し、複雑なスプレー系の解析を支援します。

Heat and Fluid Flow 2026 – TSTOF光散乱信号を用いたAI支援液滴解析

実験的検証

実験的検証には、クリアコートでコーティングしたガラスビーズを落下塔で使用しています。これらの粒子は個々の液滴の動態を模擬し、制御された光学実験を可能にします。さらなる研究では、二重エマルションスプレーを生成し、スプレー条件下で解析しています。

シミュレーション、実験、TSTOF診断、AIを活用したクラスタリングを組み合わせることで、複雑液滴の測定に向けた確かな基盤が得られます。また、ミルクスプレーの特性評価、食品プロセスのモニタリング、材料分析、産業用スプレー診断といった将来の応用も支えます。

Poster 2026 DECHEMA KA v2ダウンロード

応用の可能性

複雑液滴の測定は、混合プロセスの分析的研究とモニタリングに役立ちます。また、エマルション、懸濁液、食品スプレー、医薬品スプレー、コーティング材料、その他の多相系の特性評価にも役立ちます。

ミルクスプレーの特性評価において、この手法は微粒化された乳液体をより深く理解するための道を開きます。液滴構造、スプレーの安定性、プロセスの変化、材料に起因するスプレー挙動の解析に役立ちます。

今回のアプローチは、光学的スプレー診断が単純な液滴径測定を超えて発展できることを示しています。複雑液滴の内部構造をリアルタイムで解析する新たな可能性を切り開きます。

参考文献

[1] Schaefer, W., Fleck, S., Haas, M., & Jakobs, T. (2025). Optical Measurement Method for Monitoring High-Mass-Concentration Slurry Sprays: An Experimental Study. Photonics, 12(7), 673. https://doi.org/10.3390/photonics12070673

[2] Schaefer, W.; Li, L.; Stegmann, P.; Terada, M. Technical Report on the TSTOF Measurement Method: Technical Basics, Historical Development, and Comparison with Other Laser-Based Measurement Methods. Photonics 2026, 13, 56. https://doi.org/10.3390/photonics12070673

[3] Li, Lingxi, et al. “Simulation of Light Scattering from a Colloidal Droplet Using a Polarized Monte Carlo Method: Application to the Time-Shift Technique.” Optics Express, vol. 27, no. 25, Dec. 2019, p. 36388, https://doi.org/10.1364/oe.27.036388